趙瑞林，胡 平，王宗哲

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)，712000；2.西北電力建設(shè)第三工程有限公司，陜西 咸陽(yáng)，712000）

工程技術(shù)與應(yīng)用

基于直流換流器在風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙瑞林1，胡 平1，王宗哲2

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)，712000；2.西北電力建設(shè)第三工程有限公司，陜西 咸陽(yáng)，712000）

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中把分布式電源直接接入直流網(wǎng)絡(luò)，降低了系統(tǒng)的控制要求，以便達(dá)到最大限度的對(duì)分布式能源的充分利用。在微電網(wǎng)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)直流換流器接入直流網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)常用的直流換流器分析比較，更好地節(jié)約電力電子器件，又能提高系統(tǒng)的安全和可靠性，仿真驗(yàn)證了直流換流器在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中的有效性與適用性，保證供電可靠性。

直流換流器；風(fēng)光互補(bǔ)；微電網(wǎng)；分布式電源

1 引言

微電網(wǎng)對(duì)分布式電源控制時(shí)要求每個(gè)單獨(dú)逆變并且考慮頻率、功率和電壓等因素，這就需要多臺(tái)逆變器，使得電力電子器件有很大的浪費(fèi)。如果把分布式電源直接接入直流網(wǎng)絡(luò)，降低了系統(tǒng)的控制要求，更好的節(jié)約電力電子器件，以便達(dá)到最大限度的對(duì)分布式能源的充分利用[1]。風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是用風(fēng)能和太陽(yáng)能的兩者之間的互補(bǔ)，來(lái)獲得穩(wěn)定的輸出，提高微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少儲(chǔ)能蓄電池的容量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際做出正確地設(shè)計(jì)與合理匹配，可讓風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)供電系統(tǒng)得到較好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

2 風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)模型

風(fēng)光互補(bǔ)直流微電網(wǎng)模型如圖1所示，此系統(tǒng)包含風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電，用蓄電池的充放電使系統(tǒng)功率平衡以以達(dá)到最充分利用新能源，經(jīng)過(guò)逆變器向用戶提供電。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)直流微電網(wǎng)模型

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能光伏電池板、控制器、蓄電池、逆變器、交直流負(fù)載等組成，集風(fēng)能、太陽(yáng)能與蓄電池等新能源發(fā)電技術(shù)、控制技術(shù)一體的復(fù)合新能源供電系統(tǒng)[3]。

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電是用太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能[4]。逆變系統(tǒng)由逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成工頻交流電，對(duì)交流電負(fù)載供電。蓄電池是將風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電輸出的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)光強(qiáng)弱、風(fēng)力大小的變化，對(duì)蓄電池的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，把調(diào)整后的電能直接送給負(fù)載，把多余的電能送往蓄電池存儲(chǔ)，發(fā)電量不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器把蓄電池的電能送往負(fù)載，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性[5]。

3 直流換流器結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)接入直流網(wǎng)絡(luò)時(shí)要用直流換流器，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓高于直流網(wǎng)絡(luò)電壓，需要用降壓型Buck直流換流器；太陽(yáng)能光伏發(fā)電需要升壓型Boost直流換流器；蓄電池端電壓可能高于或低于直流網(wǎng)絡(luò)電壓，因此需要升降壓型Buck-Boost直流換流器[6]。

3.1 降壓型Buck直流換流器

降壓型Buck直流換流器是輸出電壓小于輸入電壓的直流變換器，如圖2所示。

圖2 降壓型Buck直流換流器

Q為斬波開關(guān)，VD為續(xù)流二極管，當(dāng)斬波開關(guān)Q關(guān)斷時(shí)，續(xù)流二極管為感性負(fù)載提供電流通路，電感L和電容C組成低通濾波器，以減小輸出電壓的波動(dòng)[7]。穩(wěn)態(tài)分析表明，若輸出端上的電容C很大，則輸出電壓可近似為常數(shù)uo（t）≈Uo。

3.2 升壓型Boost直流換流器

升壓型Boost直流換流器如圖3所示，這種電路的輸出電壓永遠(yuǎn)高于輸入電壓，它由功率開關(guān)管V、儲(chǔ)能元件電感L、升壓二極管VD和濾波電容C組成。當(dāng)開關(guān)V接通時(shí)，二極管VD被反向偏置，它將輸入電源與輸出極隔離，這時(shí)電源向電感中儲(chǔ)能，負(fù)載由電容C供電。當(dāng)開關(guān)V關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，與輸入電壓一起作用，迫使二極管導(dǎo)通并向負(fù)載供電[8]。穩(wěn)態(tài)分析表明，若濾波電容C很大，則輸出電壓保持不變，即uo（t）=Uo。

圖3 升壓型Boost直流換流器

3.3 升降壓型Buck-Boost直流換流器

升降壓型Buck-Boost直流換流器輸出電壓既可低于也可高于輸入電壓的直流變換器，可看做是Buck變換器和Boost變換器混合串聯(lián)而成，主要用于可調(diào)直流變換，其輸出電壓數(shù)值的大小取決于占空比[9]。Buck-Boost升降壓直流變換器的如圖4所示，電路由開關(guān)器件Q、濾波電感L、濾波電容C、續(xù)流二極管和負(fù)載R組成。當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，輸入端向電感提供能量，此時(shí)二極管VD處于反向偏置。當(dāng)開關(guān)Q關(guān)斷時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量傳遞給輸出端所接的負(fù)載[10]。穩(wěn)態(tài)分析表明，若濾波電容C很大，則輸出電壓保持不變，即uo（t）=Uo。

圖4 升降壓型Buck-Boost直流換流器

4 仿真分析

為了驗(yàn)證風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)控制的有效性，采用仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，限于篇幅這里只對(duì)系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果予以說(shuō)明[11]。運(yùn)用PSCAD/EMTDC仿真軟件針對(duì)風(fēng)力發(fā)電時(shí)采用的降壓型Buck直流換流器進(jìn)行仿真，針對(duì)仿真模型中設(shè)定風(fēng)機(jī)額定功率為1MVA，半徑為3m，葉片的掃風(fēng)面積為300m2，額定機(jī)械角速度為1000rpm，空氣密度為1.2kg/m，啟動(dòng)時(shí)采用轉(zhuǎn)速控制模式，SPWM正弦調(diào)制波頻率控制為50Hz[12]。仿真結(jié)果如圖5所示。其中由a圖可以看出10S時(shí)風(fēng)速由9m/s上升為12m/s，從b圖中可以看出風(fēng)機(jī)波動(dòng)的情況，從c圖可以看出直流網(wǎng)絡(luò)電壓仍能夠維持恒定，從d圖可以看出負(fù)荷電壓仍能保證恒定，且電壓頻率和波形都可以滿足要求。

圖5 仿真結(jié)果

5 小結(jié)

風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)中把分布式電源直接接入直流網(wǎng)絡(luò)，降低了系統(tǒng)的控制要求，以便達(dá)到最大限度的對(duì)分布式能源的充分利用，更好的節(jié)約電力電子器件，通過(guò)對(duì)常用的直流換流器分析比較又能提高系統(tǒng)的安全和可靠性，仿真驗(yàn)證了直流換流器在微電網(wǎng)控制系統(tǒng)中的有效性與適用性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際做出正確地設(shè)計(jì)與合理匹配，提高微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，保證供電可靠性，提高風(fēng)光互補(bǔ)微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益[13]。

[1]池海濤.微電網(wǎng)中分布式電源及大功率電力電子器件的控制與改進(jìn)[D].上海交通大學(xué),2009.

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Design and Application of Control System Based on DC Converter in Wind and Solar Hybrid Micro-grid

ZHAORui-lin1，HUPing1，WANGZong-zhe2
（1.College ofElectrical Engineering，Shannxi Poletechnic Institute,XianYang712000,Shannxi；2.Northwest Power Construction Third EngineeringCo.Ltd,XianYang712000,Shannxi）

The direct access to the direct current network ofdistributed generation in the wind and solar hybrid microgrid reduces the control requirements of the system,so as to achieve the maximum utilization of distributed energy resources.In the micro grid system,DC network is joined up through the DC converter,and the frequently-used DC converter is analyzed and compared,so the power electronic devices is better saved,and the safety and reliability of the system is increased.The simulation verifies the validity and applicability ofthe DC converter in the micro-grid control system and ensures the reliability ofpower supply.

DCconverter;wind-solar complementary;micro-grid;distributed power

TM4

A

1671-5004（2017）04-0001-03

2017-05-15

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年自然科學(xué)專項(xiàng)科研項(xiàng)目“智能微電網(wǎng)建設(shè)及分布式能源控制系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：ZK15-01）

趙瑞林（1976-），男，陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院副教授、碩士，研究方向：控制工程與控制理論；

胡平（1973-），男，陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院副教授、博士，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化控制技術(shù)；

王宗哲（1977-），男，西北電力建設(shè)第三工程有限公司高級(jí)工程師，研究方向：電氣工程自動(dòng)化。